一种耦合式源分离尿液现场资源化系统

本发明属于尿液废水处理与资源化利用，尤其涉及一种耦合式源分离尿液现场资源化系统。

背景技术：

1、尿液源分离，即利用单独设置的小便器或粪尿分集式便器将尿液单独收集起来，并进行处理和资源回收利用。但收集到的尿液在车辆运输或管道输送过程中，其中的尿素会因微生物和脲酶的作用而发生水解，导致氮、磷资源的流失，因此源分离尿液的现场处理可减少运输成本和管道维护成本，最大限度提高资源循环利用效率。

2、现场处理的对象为新鲜尿液，磷主要以磷酸盐的形式存在，氮主要以尿素氮的形式存在，还有少量的氨氮，其水质状况波动性较大，氮、磷浓度复杂多变，使得单一技术难以充分回收其中的氮、磷资源。除此之外，源分离尿液中的氮、磷回收还面临着提取过程复杂、资源化成本较高的问题。

3、现有专利202211016944.9公开了一种耦合式分离尿液资源化及能源化系统，该方案通过源分离尿液收集装置(1-2)进行尿液收集，通过蠕动泵(3)泵入微生物电解池(mec,5)，有机物在阳极发生氧化反应，在阴极发生析氢反应产生氢气，尿素通过脲酶和微生物的作用发生水解。出水进入镁原电池(7)中，在负极发生氧化反应产生镁离子，结合磷酸盐、氨氮生成鸟粪石沉淀，正极发生析氢还原反应。同时正负极产生稳定电压，供给mec反应器(5)。该方案缺点如下：

4、ⅰ、未对尿液中的氮资源进行有效回收，通过鸟粪石沉淀仅能回收很少一部分氮资源；

5、ⅱ、mec反应器(5)需要微生物的适宜环境，环境适应性较差；

6、ⅲ、在mec反应器(5)中要进行尿素的水解，耗时较久；

7、ⅳ、使用镁原电池，阴极材料为不锈钢网，会发生析氢反应产生氢气，不能有效调控体系内的ph，无法为鸟粪石沉淀提供适宜的环境，产物纯度不高。

8、现有专利202310567581.6提供了一种基于鸟粪石沉淀法的源分离尿液资源化系统，通过源分离尿液收集单元(1)进行尿液收集，通过蠕动泵(2)泵入水解单元(3)，水解单元包括5层填料塔，其中1-3层(4)为微生物载体，使得尿素水解，ph上升；第5层(5)为生物炭，吸附尿液中的污染物质。后尿液进入沉淀单元(6)，经过两层由颗粒状氧化镁填充的填料塔(7)，水解尿液中的磷酸盐、氨氮和镁源结合生成鸟粪石沉淀，其缺点如下：

9、i、未对尿液中的氮资源进行有效回收；

10、ii、水解单元(3)需要微生物的适宜环境，环境适应性较差；

11、iii、在水解单元(3)中要进行尿素的水解，耗时较久，且ph上升后产生的沉淀可能会被生物炭(5)吸附，导致氮、磷资源的流失；

12、ⅳ、在沉淀单元(6)中，颗粒状氧化镁作为镁源会降低产物中鸟粪石的纯度。

技术实现思路

1、本发明的目的是实现源分离尿液的现场资源化处理，以高纯度溶液和高品质人工磷矿的形式，充分回收尿液中的氮磷资源；克服现有技术资源回收效率低，回收产物品质差的缺陷。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，包括源分离尿液现场收集装置、尿素收集罐、蠕动泵i、蠕动泵ii、电化学选择分离装置和mafc装置；所述源分离尿液现场收集装置与尿素收集罐左侧连接，尿素收集罐右侧与蠕动泵i左侧连接，蠕动泵i右侧与电化学选择分离装置的尿素提纯室的入口连接，电化学选择分离装置的尿素提纯室的出口与尿素收集罐的顶部连接，mafc装置的入口与电化学选择性分离装置的离子回收室的出口相连，mafc装置的出口与蠕动泵ii右侧连接，蠕动泵ii左侧与电化学选择性分离装置的离子回收室的入口相连；

3、所述尿素收集罐中设有电导率监测设备；

4、所述电化学选择分离装置由阴离子交换膜和阳离子交换膜划分为四腔室结构，依次分别为阴极室、尿素提纯室、离子回收室、阳极室；阴极室和阳极室的材质为石墨集流体，石墨集流体上刻蚀蛇形流道，流道内部为流动的电极浆液；

5、mafc装置为单腔室结构，mafc装置一侧设置进水口，另一侧设置出水口，下部为人工磷矿沉淀收集区，设置为漏斗形；mafc装置内设有ph监测设备；mafc装置的阴极为空气阴极，阳极为金属镁板；空气阴极和镁电极通过导线连接，设置有外接电阻1-100；空气阴极依次由催化层、防水透气膜、支撑层和防水透气膜组成。

6、优选地，所述蛇形流道尺寸为65cm×0.24cm×0.2cm，电极浆液的流速为5-30ml/min，电极浆液由水和碳材料组成，碳材料质量分数为3-20wt.％，所述碳材料为活性炭、导电炭黑、碳纳米管或石墨烯其中的一种或多种，活性炭和炭黑的粒径为1-100μm。

7、优选地，所述尿素提纯室和离子回收室的有效体积均为50mm×60mm×2mm，有效反应面积为30cm2，室内流速为0.1-1ml/min。

8、优选地，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜尺寸均为7cm×7cm，阴离子交换膜和阳离子交换膜在使用之前使用3-5wt.％的氯化钠溶液活化24h以上。

9、优选地，镁板的厚度为0.3cm，结构为凸字形，凸字形的主体部分尺寸为5cm×5cm，凸起部分尺寸为2cm×0.8cm。

10、优选地，所述电化学选择性分离装置的阴极室连接直流电源的负极，阳极室连接直流电源的正极。

11、优选地，所述mafc装置的腔体的容积为140ml，mafc装置的材质有机玻璃。

12、优选地，所述支撑层为铜网，搭配两侧的防水透气膜，组成集流体。

13、有益效果：

14、1、本发明提供了一种电化学耦合系统用于源分离尿液的现场资源化处理，系统主体为电化学选择性分离装置和mafc装置，充分回收了尿液中的氮磷资源。

15、2、该系统使用ph和电导率检测设备，实时检测系统运行状况，根据其变化情况，可实时调控蠕动泵的流速，改变水力停留时间，提高产物品质，有助于实现源分离尿液现场处理的智能控制和调度。

16、3、本系统回收产物为高纯度尿素溶液和高品质人工磷矿，均有很高的经济价值可应用潜力，在源分离尿液现场资源化方面前景广阔。

技术特征：

1.一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，包括源分离尿液现场收集装置、尿素收集罐、蠕动泵i、蠕动泵ii、电化学选择分离装置和mafc装置；所述源分离尿液现场收集装置与尿素收集罐左侧连接，尿素收集罐右侧与蠕动泵i左侧连接，蠕动泵i右侧与电化学选择分离装置的尿素提纯室的入口连接，电化学选择分离装置的尿素提纯室的出口与尿素收集罐的顶部连接，mafc装置的入口与电化学选择性分离装置的离子回收室的出口相连，mafc装置的出口与蠕动泵ii右侧连接，蠕动泵ii左侧与电化学选择性分离装置的离子回收室的入口相连；

2.根据权利要求1所述的一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，所述蛇形流道尺寸为65cm×0.24cm×0.2cm，电极浆液的流速为5-30ml/min，电极浆液由水和碳材料组成，碳材料质量分数为3-20wt.％，所述碳材料为活性炭、导电炭黑、碳纳米管或石墨烯其中的一种或多种，活性炭和炭黑的粒径为1-100μm。

3.根据权利要求1所述的一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，所述尿素提纯室和离子回收室的有效体积均为50mm×60mm×2mm，有效反应面积为30cm2，室内流速为0.1-1ml/min。

4.根据权利要求1所述的一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜尺寸均为7cm×7cm，阴离子交换膜和阳离子交换膜在使用之前使用3-5wt.％的氯化钠溶液活化24h以上。

5.根据权利要求1所述的一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，镁板的厚度为0.3cm，结构为凸字形，凸字形的主体部分尺寸为5cm×5cm，凸起部分尺寸为2cm×0.8cm。

6.根据权利要求1所述的一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，所述电化学选择性分离装置的阴极室连接直流电源的负极，阳极室连接直流电源的正极。

7.根据权利要求1所述的一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，所述mafc装置的腔体的容积为140ml，mafc装置的材质有机玻璃。

8.根据权利要求1所述的一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，其特征在于，所述支撑层为铜网，搭配两侧的防水透气膜，组成集流体。

技术总结本发明提供了一种耦合式源分离尿液现场资源化系统，包括源分离尿液现场收集装置、尿素收集罐、蠕动泵、电化学选择分离装置和MAFC装置；新鲜尿液经现场收集装置收集后，进入尿素收集罐，打开蠕动泵，新鲜尿液在尿素收集罐和电化学选择性分离装置之间循环流动，进行尿素分子和其他离子的分离，分离完成后在尿素收集罐中得到高纯度尿素溶液；分离出的离子流入MAFC装置中发生反应，形成高品质人工磷矿沉淀，同时产生电流和电压。本发明中使用pH和电导率检测设备，实时检测系统运行状况，可实时调控蠕动泵的流速，改变水力停留时间，提高产物品质，有助于实现源分离尿液现场处理的智能控制和调度。技术研发人员：刘元,钟林江,刘鸿,胡淑捷,伍迪,张梦玥,何林峰,任学峰受保护的技术使用者：中国科学院重庆绿色智能技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/11